멀티 보드 PCB 시스템에서 전력 분배 및 커넥터 불일치 문제를 극복하는 방법

현대 전자 설계에서는 상호 연결된 멀티 보드 PCB 시스템이 이제 필수 요소가 되었습니다. 의료 기기와 통신 장비부터 소비자 전자제품 및 산업 시스템에 이르기까지, 엔지니어들은 모듈성, 밀도 및 신뢰성에 대한 증가하는 요구를 충족시키기 위해 여러 인쇄 회로 기판에 기능을 분산시키는 것에 의존하고 있습니다. 그러나 멀티 보드 PCB 시스템의 설계 및 통합은 전력 분배 및 커넥터 정렬과 같은 분야에서 특히 중요한 도전 과제를 제기합니다.

이 글에서는 Altium Designer의 고급 기능을 사용하여 이러한 문제를 극복하는 방법을 탐구하여, 엔지니어가 개념부터 최종 제품까지 견고하고 제조 가능한 멀티 보드 시스템을 만들 수 있도록 합니다.

상호 연결된 멀티 보드 PCB 설계의 복잡성

더 작은 형태 요소에서 더 높은 기능성을 추구하는 추세는 여러 PCB로 구성된 시스템의 증가로 이어졌습니다. 이러한 설계는 밀폐된 인클로저 내에서 쌓인 보드, 접는 보드 간의 유연한 연결, 공통 백플레인을 공유하는 모듈러 플러그인 카드 등을 포함할 수 있습니다. 각 구성은 고유한 요구 사항을 가지고 있지만, 모두 물리적 분리를 가로질러 전기적 연결성과 기계적 통합을 관리하는 공통의 복잡성을 공유합니다.

기능을 여러 보드에 분할하면 하위 시스템 수준에서 설계 복잡성을 줄일 수 있지만, 신호 라우팅, 전력 분배, 커넥터 배치, 기계적 정렬을 조정하는 도전은 증가합니다. 이러한 요소들이 전체적으로 계획되지 않으면, 개발 후반에 문제가 종종 발생하여 기능 실패, 물리적 간섭 또는 조립 재작업으로 이어집니다.

멀티 보드 PCB 시스템에서 전력 분배 관리

Altium Designer에서는 통합된 스키매틱 및 레이아웃 환경을 활용하여 여러 보드에 걸친 전력 분배 관리의 도전을 완화할 수 있습니다. 모든 보드에 걸쳐 일관된 넷 명명 전략을 사용하면 전력 및 접지 레일이 일관되게 유지됩니다. 설계자는 +3.3V 또는 GND와 같은 전력 넷을 명시적으로 라벨링하고, 개별 보드 스키매틱에 동일한 넷 이름을 적용할 수 있습니다. 이러한 일관성은 보드가 상호 연결된 멀티 보드 시스템으로 조립될 때 불일치 오류를 방지하는 데 도움이 됩니다.

전력 무결성을 더욱 개선하기 위해, Altium은 설계 제약을 사용하여 할당할 수 있는 기능을 제공합니다. 이러한 제약은 전력 넷에 대한 최소 트레이스 폭, 전류 용량 또는 선호하는 레이어 할당을 정의할 수 있습니다. PCB 레이아웃이 진행됨에 따라, Altium의 설계 규칙 검사는 이러한 제약 사항을 자동으로 확인하여, 너무 작은 도체나 과부하된 비아를 방지하는 데 도움이 됩니다.

시뮬레이션은 전력 분배 문제를 해결하는 데 있어 또 다른 강력한 도구입니다. Altium Designer는 Keysight의 Power Analyzer와 통합되어 전력 전달 과제에 대한 귀중한 통찰력을 제공합니다. 멀티보드 PCB 시스템에서 전력 분배를 관리하는 것은 전압 강하, 전류 불균형 및 반환 경로 불일치와 같은 문제를 탐색하는 것을 포함합니다. 전압은 커넥터, 평면 또는 케이블을 통과해야 하며, 이 모든 것이 저항과 인덕턴스를 도입합니다. 이러한 요소들이 고려되지 않으면, 구성 요소는 불충분하거나 불안정한 전압을 경험할 수 있으며, 이는 성능 저하 또는 완전한 실패로 이어질 수 있습니다.

Power Analyzer를 사용하면, 엔지니어는 전체 전력 전달 네트워크를 통한 전압 강하와 전류 흐름을 시뮬레이션할 수 있습니다. 이를 통해 엔지니어는 10핀 커넥터를 통해 딸깍방아로 공급되는 5V 레일이 부하 하에서 적절한 전압 수준을 유지하는지 확인할 수 있습니다. 시뮬레이션에서 결함이 발견되면, 설계자는 레이아웃을 조정하거나 구리 폭을 늘리거나 안정적인 전력 전달을 보장하기 위해 중복 경로를 추가할 수 있습니다.

개별 보드 시뮬레이션을 넘어서, 시스템 수준에서 전력 계획을 접근하는 것이 필수적입니다. 멀티 보드 설정에서 각 보드는 자체 부하를 끌어오며, 시스템 전체에 공유되는 전원 공급 장치는 그에 맞게 크기를 조정해야 합니다. 전력 분석기를 사용하여 설계자들은 보드별 전력 소비를 추정하고, 조절기와 커넥터가 총 전류 요구 사항을 안전하게 지원할 수 있는지 확인함으로써, 최종 연결된 멀티 보드 시스템에서 조절기 드룹이나 과열을 피하는 데 도움이 됩니다.

커넥터 정렬 및 기계적 무결성 확보

전기적 문제가 시스템을 무음으로 실패하게 할 수 있는 반면, 기계적 불일치는 종종 물리적 손상이나 조립 실패를 초래합니다. 멀티 보드 PCB 시스템은 메자닌 헤더, 엣지 카드 슬롯 또는 와이어 하네스와 같은 보드 간 커넥터에 크게 의존하여 전력과 데이터를 연결합니다. 이러한 커넥터가 보드 간에 완벽하게 정렬되는 것이 중요합니다.

Altium Designer는 여러 PCB를 단일 3D 모델로 로드하고 배치할 수 있는 멀티 보드 어셈블리 환경으로 이를 해결합니다. 이 공간 내에서, 각 보드는 전기적 설계를 유지하지만 정렬 및 기계적 분석을 위한 물리적 객체로 취급됩니다. 엔지니어는 실제 세계에서 조립되는 것처럼 보드를 서로 관련하여 위치시키고, 회전시키고, 이동시키고, 결합할 수 있습니다.

멀티 보드 환경은 특히 커넥터 정렬에 도움이 됩니다. 설계자들은 핀과 소켓이 일치하는지, 보드 적층 높이가 커넥터 사양과 일치하는지, 그리고 부품이나 케이스로 인한 간섭이 없는지를 확인할 수 있습니다. 설계 후에 수동으로 치수를 확인하거나 기계 CAD 도구에 의존하는 대신, 이러한 검증을

Altium의 레이아웃 단계에서 직접 수행할 수 있습니다.

Altium의 3D 클리어런스 검사 기능은 물리적 중첩이나 충분하지 않은 간격을 강조하여 이 기능을 향상시킵니다. 예를 들어, 커넥터가 2D에서는 올바르게 보일 수 있지만 3D에서는 인접한 히트싱크와 간섭하거나 스탠드오프를 통과하지 못할 수 있습니다. 이러한 문제를 조기에 발견함으로써, 엔지니어들은 비용이 많이 드는 재설계와 조립 지연을 피할 수 있습니다.

Altium Designer는 또한 ECAD-MCAD 공동 설계 기능을 통해 전기 및 기계 영역 간의 격차를 해소합니다. SolidWorks와 Fusion 360과 같은 도구와의 통합을 통해, 기계 엔지니어는 최신 보드 윤곽, 커넥터 배치, 그리고 마운팅 홀 위치를 받을 수 있습니다. 마찬가지로, 전기 설계자는 기계적 제약 조건을 레이아웃에 통합하여, 최종 설계를 확정하기 전에 보드 형태, 스탠드오프, 그리고 케이스 요구 사항이 충족되는지를 보장할 수 있습니다.

멀티 보드 설계에 대한 통합 접근 방식

다중 보드 PCB 개발에서 성공하려면 처음부터 전기적 및 기계적 고려 사항을 상호 의존적으로 취급하는 것이 중요합니다. Altium Designer의 통합 환경을 사용하면 엔지니어는 전력 계획, 커넥터 배치 또는 3D 통합을 처리하기 위해 서로 다른 도구 간에 이동할 필요가 없습니다.

대신, 동일한 플랫폼 내에서 전력 레일을 시뮬레이션하고, 전체 조립체를 3D로 시각화하며, 상호 연결을 검증하고, 여러 분야 간에 협업할 수 있습니다. 이는 설계 주기를 단축할 뿐만 아니라 제품 품질과 신뢰성도 향상시킵니다. 설계 의도는 회로도에서 레이아웃, 기계적 포장에 이르기까지 보존되며, 마지막 순간의 놀라움은 규칙이 아닌 예외가 됩니다.

결론

전력 분배와 커넥터 정렬은 다중 보드 PCB 시스템을 설계할 때 가장 중요한 두 가지 도전 과제입니다. 이를 무시하면 신뢰성이 낮은 성능, 높은 실패율 및 증가된 제조 비용으로 이어질 수 있습니다. 다행히도, Altium Designer는 이러한 문제를 해결하기 위해 맞춤화된 강력한 도구 세트를 제공하여, 엔지니어가 복잡한 상호 연결된 다중 보드 시스템을 자신 있게 만들 수 있도록 지원합니다.

스키마틱 일관성, 파워 분석기와 같은 시뮬레이션 도구, 그리고 몰입감 있는 3D 멀티보드 어셈블리 작업 공간을 사용함으로써, 설계자들은 단 하나의 보드도 제작되기 전에 문제를 예측하고 해결할 수 있습니다. 그리고 Altium의 MCAD 통합을 통해 기계 팀과 협업함으로써, 보드가 전기적으로만 작동하는 것이 아니라 최종 인클로저에도 완벽하게 맞도록 보장합니다.

시스템이 점점 더 상호 연결되고 컴팩트해지는 세계에서, Altium Designer와 같은 도구로 멀티보드 디자인을 마스터하는 것은 단순한 이점이 아닙니다. 필수적입니다.

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